Z PASJI DO STALI

W pracy konkursowej pt. Projekt koncepcyjny stalowej wieży telekomunikacyjnej analizowanym problemem było zaprojektowanie stalowej kratowej wieży telekomunikacyjnej w sposób spełniający wymagania europejskich norm oraz dostępnej literatury.

Projektowanie stalowych wież antenowych jest procesem, na który wpływ ma wiele czynników dotyczących przede wszystkim aspektów konstrukcyjnych, ale także związanych ze stosowanymi technologiami telekomunikacyjnymi. W dostępnej literaturze odnoszącej się do konstrukcji wsporczych anten możemy najczęściej znaleźć przykłady obliczeniowe przeprowadzane według norm polskich, natomiast zastosowanie norm europejskich nie zostało jeszcze zadowalająco opisane. Brak systematyzacji projektowania wież antenowych pozostawia rozwadze projektanta interpretację zapisów normowych oraz ich praktyczne zastosowanie.

Modele konstrukcji

Celem podjętych rozważań było zaproponowanie rozwiązań konstrukcji dwóch wież telekomunikacyjnych zgodne z obowiązującymi normami, analiza wykonanych obliczeń oraz wybór korzystniejszej koncepcji. Zostały zaprojektowane dwie wieże stalowe: pierwsza o podstawie kwadratu (wieża nr 1) i druga o przekroju poprzecznym w kształcie trójkąta równobocznego (wieża nr 2 – rys. 1.). Konstrukcje obu wież zostały zaprojektowane ze stali S355, a miejscem ich planowanej budowy jest wieś Wołczkowo znajdująca się w gminie Dobra. Szerokość boku przekroju poprzecznego u podstawy każdej wieży jest równa 5 m, a u szczytu konstrukcji wynosi 2 m. Wysokość wież telekomunikacyjnych to 50 m. Skratowanie od poziomu terenu do 8 m należy wykonać jako półkrzyżulcowe z wykratowaniem drugorzędnym, a od 8 m do poziomu 50 m zaprojektowano skratowanie typu krzyżowego. Konstrukcje wież telekomunikacyjnych zostały podzielone na 6 pozycji wysyłkowych, w tym cztery sekcje o wysokości 8 m oraz dwie sekcje o wysokości 9 m. Wewnątrz każdej budowli znajduje się osiem stalowych pomostów roboczych na wysokościach: 8, 12, 20, 27, 30, 36, 39 oraz 42 m. Modele obliczeniowe konstrukcji wraz z obciążeniami i kombinacjami obciążeń zostały wykonane w programie Autodesk Robot 2019. Podczas modelowania zastosowano elementy kratownicowe, belkowe, zwolnienia prętów oraz okładziny służące do obciążenia pomostów.

Obciążenia wież telekomunikacyjnych i obliczenia

Wieże antenowe zostały obciążone następującym wyposażeniem: antenami, modułami radiowymi, wzmacniaczami sygnału, pomostami roboczymi, światłami przeszkodowymi, systemem odgromowym oraz drabinkami kablową i włazową. Uwzględniono także ciężary powłok takich jak warstwy cynkowania, farby ogniochronnej oraz farby do oznakowania przeszkodowego. Pomosty robocze i balustrady stalowe zostały obciążone obciążeniami użytkowymi według zapisów normy PN-EN 1993-3-1 [1]. W pracy wzięto pod uwagę wpływ temperatury na konstrukcje, korzystając z postanowień znajdujących się w normie PN-EN 1991-1-5 [2]. Kolejnym obciążeniem zmiennym oddziaływującym na wieże telekomunikacyjne było oblodzenie, a jego wartości zostały obliczone za pomocą normy PN-87/B-02013 [3] polecanej do stosowania przez Załącznik Krajowy normy [1]. Ostatnim etapem obciążania konstrukcji było zebranie obciążeń wiatrem, które wykonano w dwóch wariantach: na konstrukcje nieoblodzone oraz oblodzone (rys. 2.). Wykorzystano w tym celu zalecenia zawarte w normach PN-EN 1993-3-1 [1] oraz PN-EN 1991-1-4 [4].

Zapisano łącznie 39 kombinacji obciążeń, korzystając z norm PN-EN 1990:2004 [5] oraz [1], w tym 22 kombinacje SGN oraz 17 kombinacji SGU. W programie Robot zostały ustalone definicje poszczególnych prętów konstrukcji i przeprowadzono wstępne wymiarowanie przekrojów. W obliczeniach uwzględniono efekty II rzędu poprzez ustawienie statyki P-Delta w programie Robot. Przeprowadzona została również analiza modalna z uwzględnieniem sił statycznych w celu sprawdzenia wartości częstości drgań własnych wież.

Analiza wyników

Analizując otrzymane wyniki obliczeń, stwierdzono, że w konstrukcji wieży nr 2 potrzebne jest zastosowanie większych profili krawężników niż dla wieży nr 1 w sekcjach od nr 1 do 5 (rys. 3.). Nośność prętów wieży nr 2 została wykorzystana bardziej niż wieży nr 1. Obie konstrukcje spełniają na podobnym poziomie wymagania dotyczące charakterystyk dynamicznych (rys. 4. i 5.). Przybliżony ciężar całkowity wieży nr 1 wynosi 56 ton, a wieży nr 2: 46 ton. Możemy zaobserwować, że wieża nr 2 jest lżejsza od wieży nr 1 ze względu na mniejszą ilość i długość zastosowanych prętów. Wieża nr 2 charakteryzuje się także mniejszą powierzchnią malowania, co skutkuje mniejszym zużyciem powłok ochronnych. Podsumowując te wnioski, zdecydowano, że konstrukcja wieży nr 2 będzie korzystniejsza, więc to dla niej przeprowadzono obliczenia ręczne stanów granicznych nośności i użytkowalności. Zweryfikowano nośność prętów na rozciąganie, ściskanie z wyboczeniem, zginanie ze ścinaniem, zginanie z siłą podłużną oraz ścinanie. Sprawdzono przemieszczenia węzłów, ugięcia prętów, kąty obrotu poziomego i drgania. Wykonane zostały również projekty stopy krawężnika oraz przegubowego połączenia montażowego między krawężnikami pozycji wysyłkowych z zastosowaniem czołowych blach węzłowych i śrub.

Wnioski młodego inżyniera

Przedstawione rozwiązania inżynierskie można zastosować we wciąż rozwijającej się branży telekomunikacyjnej, której obecność dostrzegamy na każdym kroku. Wraz ze wzrostem zapotrzebowania społeczeństwa na usługi telekomunikacyjne, który zauważamy szczególnie teraz, podczas edukacji oraz pracy zdalnej, rośnie liczba budowanych wież antenowych. Stabilna konstrukcja tych budowli jest bardzo ważna ze względu na bezpieczeństwo ich użytkowania oraz nieprzerwalność sygnału antenowego. Zaletą wież jest mała powierzchnia zabudowy, ponieważ ich konstrukcja nie wymaga, jak w przypadku masztów, stosowania odciągów zajmujących dodatkowe miejsce. Staranne przygotowanie do projektowania takiego typu konstrukcji i wiedza o ich mocnych stronach pozwoli uniknąć zwiększonych kosztów oraz zaplanować budowę wieży z dbałością o każdy szczegół.

Bibliografia:

[1] PN-EN 1993-3-1:2008 Eurokod 3 – Projektowanie konstrukcji stalowych – Część 3-1: Wieże, maszty i kominy. Wieże i maszty.

[2] PN-EN 1991-1-5:2005 Eurokod 1 – Oddziaływania na konstrukcje – Część 1-5: Oddziaływania ogólne. Oddziaływania termiczne.

[3] PN-87/B-02013 Obciążenia budowli. Obciążenia zmienne środowiskowe. Obciążenie oblodzeniem

[4] PN-EN 1991-1-4:2008 Eurokod 1 – Oddziaływania na konstrukcje – Część 1-4: Oddziaływania ogólne – Oddziaływania wiatru.

[5] PN-EN 1990:2004 Eurokod – Podstawy projektowania konstrukcji.